“Armadilhas de gaiola” bioinspiradas para ambientes fechados

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4730 (2023) Citar este artigo

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Apesar do notável progresso alcançado nas células solares de perovskita, grandes preocupações quanto ao risco potencial de contaminação por Pb e aos riscos de vulnerabilidade ambiental associados às células solares de perovskita representam um obstáculo significativo à sua comercialização no mundo real. Neste estudo, nos inspiramos no comportamento de presas de aranhas e componentes químicos em teias de aranha para implantar estrategicamente uma rede multifuncional de carbono enxertado com amino mesoporoso em células solares de perovskita, criando armadilhas de gaiola biomiméticas que poderiam efetivamente mitigar o vazamento de Pb e proteger a invasão externa sob condições climáticas extremas. O mecanismo sinérgico de captura de Pb em termos de quelação química e adsorção física é explorado em profundidade. Além disso, é proposta a avaliação da contaminação por Pb de células solares de perovskita em fim de vida no ecossistema do mundo real, incluindo a água e o solo do Rio Amarelo. O processo sustentável de gerenciamento de Pb em circuito fechado também é estabelecido com sucesso, envolvendo quatro etapas críticas: precipitação de Pb, adsorção de Pb, dessorção de Pb e reciclagem de Pb. Nossas descobertas fornecem insights inspiradores para promover a industrialização verde e sustentável de células solares de perovskita.

Com a crescente crise energética global, as células solares de perovskita (PSCs) emergiram como uma tecnologia promissora de energia renovável para reduzir a pegada de carbono em todo o mundo. Os PSCs oferecem compatibilidade superior e fabricação escalável, posicionando-os para revolucionar o mercado fotovoltaico. No entanto, ainda há desafios significativos a enfrentar antes de poderem ser aplicados na prática. Os cátions orgânicos voláteis (como CH3NH3+ ou HNCH(NH3)+) e as propriedades da rede macia das PSCs são as fontes de instabilidade intrínseca, resultando na diminuição da eficiência do dispositivo e em problemas de estabilidade operacional a longo prazo1,2,3. Notavelmente, a decomposição de filmes de perovskita pode levar à formação de compostos tóxicos à base de Pb, incluindo PbI2, Pb ou PbO, quando expostos a estímulos externos, como umidade, iluminação e calor. Estes compostos podem potencialmente vazar para o ecossistema, levantando preocupações de sustentabilidade ambiental4,5.

Esforços recentes concentraram-se no encapsulamento de PSCs para reduzir o vazamento de Pb. Materiais de encapsulamento como poliuretano, poliisobutileno, grafeno e Al2O3 têm sido aplicados por prensagem física a quente ou método de deposição de camada atômica6,7,8,9. No entanto, estas camadas de encapsulamento não podem impedir a difusão do componente Pb se o dispositivo for quebrado sob estresse externo devido à capacidade limitada de captura de Pb. Embora o complexo processo de preparação também aumente os custos de produção. Foram propostas estratégias de adsorção química empregando materiais químicos funcionais para adsorção externa para minimizar o vazamento de Pb. A maioria dos trabalhos publicados concentra-se no desenvolvimento de adsorvente de Pb semitransparente que pode ser instalado no lado receptor de luz das unidades. É necessária alta transparência óptica para evitar a diminuição do desempenho fotovoltaico, limitando a espessura do adsorvente semitransparente de Pb e comprometendo a capacidade de adsorção de Pb e a resistência ambiental. Na prática, o componente de Pb vazado tende a fluir para a parte traseira do dispositivo devido à gravidade, e os materiais ou estratégias correspondentes permanecem limitados. Li et al. integrou uma mistura de polímeros baseada em resina de troca catiônica (CER) e resina ultravioleta (UV) no PSC10. O componente Pb foi adsorvido através da rápida reação de troca catiônica entre abundantes grupos de ácido sulfônico (SO3−) e Pb2+, alcançando 90% de eficiência de sequestro de Pb. No entanto, o risco potencial de poluição secundária proveniente de resíduos sólidos perigosos de RCE emergiu como uma questão ambiental. Além disso, persistem preocupações sobre estratégias de descarte sustentável para módulos fotovoltaicos de perovskita em fim de vida, devido à ameaça potencial de íons tóxicos de Pb ao ecossistema e à segurança da saúde humana11,12,13,14. Estas desvantagens podem dificultar seriamente a aplicação comercial dos PSCs.